三結級聯太陽電池及其製備方法
2023-06-09 16:45:46
專利名稱：三結級聯太陽電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及太陽電池領域，尤其涉及一種含鉍化物的GaAs基三結級聯太陽電池及其製備方法，該三結太陽電池具有優化帯隙組合，可實現對太陽光譜的充分利用，具有較高的電池效率。
背景技術：
在II1- V族化合物半導體太陽電池的研製過程中，為了提高電池的轉換效率，需要對太陽光譜進行劃分，採用與之相匹配的不同帶隙寬度子電池進行串聯，以達到充分利用太陽光的目的。在三結太陽電池中，目前研究較為成熟的體系是晶格匹配生長的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三結電池，然而該體系帯隙組合併未優化，其最高轉換效率為32-33%(—個太陽)。計算表明具有1.93eV/l.39eV/0.94eV帯隙組合的三結太陽電池的效率大於51%(100倍聚光)，然而由於晶格常數對材料的限制，具有該理想帯隙組合且與襯底晶格匹配的材料選擇較少，一種能實現該帯隙組合的材料為Al InAs/InGaAsP/InGaAs,然而該材料的晶格常數與GaAs襯底有約2.1%的失配，目前尚缺乏與上述材料組合晶格常數匹配的襯底。為了得到 1.93eV/l.39eV/0.94eV 帯隙組合的 AlInAs/InGaAsP/InGaAs 材料，一種常用方法是利用晶格異變技術在GaAs襯底上生長與其晶格失配的晶格異變緩衝層，然而該技術增加了生產成本，並對生長技術提出了更高的要求，同時緩衝層的引入也帶來了較多的缺陷，影響了電池的性能。如何實現多結太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池製作成本和難度成為當前太陽電池亟需解決的問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種三結級聯太陽電池及其製備方法，解決現有技術中為了獲得高效三結電池會增加電池的製作成本以及製作工藝複雜度的問題。為了解決上述問題，本發明提供了一種三結級聯太陽電池，包括GaAs襯底以及採用GaNAsBi材料製作的兩結子電池，所述兩結子電池的晶格常數均與所述GaAs襯底晶格匹配。進一步，所述兩結子電池分別為GaNAsBi底電池以及GaNAsBi中間電池，所述太陽電池包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結以及AlGaAs頂電池，所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上分別設有電極。進一步，所述GaNAsBi底電池中N的組分為1.45%，Bi的組分為2.56%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度約為0.94 eV。進一步，所述GaNAsBi中間電池中N的組分為0.058%, Bi的組分為0.1%，所述GaNAsBi中間電池的帶隙寬度約為1.39 eV。進一步，所述AlGaAs頂電池中Al的組分為40.6%，所述AlGaAs頂電池的帶隙寬度約為 1.93 eVo進一步，所述太陽電池的帶隙組合為1.93 eV、 1.39 eV、 0.94eV。為了解決上述問題，本發明還提了一種本發明所述的三結級聯太陽電池的製備方法，包括步驟:1)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結、AlGaAs頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上製備上、下電極，獲得目標太陽電池。進一步，所述三結級聯太陽電池外延採用MOCVD法或MBE法生長形成。本發明提供的三結級聯太陽電池及其製備方法，優點在於:
1.具有理想的帶隙組合廣1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，提高了電池效率。2.所有子電池晶格常數與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術中要求生長較厚的緩衝層對材料的浪費，降低了生產成本，製備工藝簡單。3.採用正裝生長·方法生長，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的複雜工藝，降低了電池的製作難度。
圖1所示為本發明一具體實施方式
提供的三結級聯太陽電池採用正裝方式生長的結構不意 圖2為圖1所示的三結級聯太陽電池製成品的結構示意 圖3所示為本發明一具體實施方式
提供的三結級聯太陽電池的製備方法步驟流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提供的三結級聯太陽電池及其製備方法做詳細說明。首先結合附圖給出本發明所述三結級聯太陽電池的具體實施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實施方式
提供的三結級聯太陽電池採用正裝方式生長的結構示意圖，圖2為圖1所示的三結級聯太陽電池製成品的結構示意圖，接下來對附圖1、2所示的結構做詳細說明。在對GaAs材料的研究中發現N和Bi的摻入可以調節材料的帶寬和晶格常數，因此通過選擇合適N和Bi的組分可以使GaNAsBi四元材料具有理想的帶寬和合適的晶格常數，這使GaNAsBi材料成為與GaAs襯底匹配的窄帶隙子電池的理想材料。本具體實施方式
提供一種三結級聯太陽電池,其中兩結子電池採用GaNAsBi材料製作而成，所有子電池的晶格常數均與太陽電池的GaAs襯底匹配，可實現對太陽光譜的充分利用，得到較高的開路電壓，減小電流失配。本具體實施方式
中所述兩結子電池分別為GaNAsBi底電池17以及GaNAsBi中間電池15。所述太陽電池包括在GaAs襯底18上依次連接的GaNAsBi底電池17、第一隧道結16,GaNAsBi中間電池15、第二隧道結14以及AlGaAs頂電池13，所述AlGaAs頂電池13和所述GaAs襯底18上分別設有電極(如圖2所示電極12、19)。所述三結級聯太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV、 1.39 eV、94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，提高了電池效率。
所述GaNAsBi底電池17的晶格常數與GaAs襯底18匹配。所述GaNAsBi底電池17包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的材料為GaNAsBi的底電池基區01，以及在基區01上設置的材料為GaNAsBi的底電池發射區02。其中，所述GaNAsBi底電池17中N和Bi的組分分別約為1.45%,2.56%，其帶隙寬度約為0.94 eV。所述第一隧道結16包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的GaInP或(In)GaAs 重慘層 03 以及(Al) GaAs 重慘層 04。其中，(In) GaAs 表不 InGaAs 或 GaAs, (Al) GaAs表不 AlGaAs 或 GaAs。所述GaNAsBi中間電池15的晶格常數與GaAs襯底18匹配。所述GaNAsBi中間電池15包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的材料為GaNAsBi的中間電池基區05，以及在基區05上設置的材料為GaNAsBi的中間電池發射區06。其中，所述的GaNAsBi中間電池15中N和Bi的組分分別約為0.058%,0.1%，其帶隙寬度約為1.39 eV。所述第二隧道結14包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的GaInP重摻層07以及AlGaAs重摻層08。所述AlGaAs頂電池13包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的AlGaAs基區09以及AlGaAs發射區10。
在本具體實施方式
中，在AlGaAs頂電池13上還設有GaAs層作為歐姆接觸層11，其摻雜類型為N型。所述三結級聯太陽電池在所述AlGaAs頂電池13和GaAs襯底18上分別設有電極。在本具體實施方式
中,AlGaAs頂電池13上設有電極16，電極16位於歐姆接觸層11上表面；GaAs襯底18上設有電極25,電極25位於GaAs襯底18的背面,從而獲得所需的太陽電池。本發明提供的三結級聯太陽電池所有子電池晶格與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術中要求生長較厚的緩衝層對材料的浪費，降低了生產成本，製備工藝簡單。且所述三結級聯太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，可實現對太陽光譜的充分利用，提高了電池效率。接下來結合附圖給出本發明所述三結級聯太陽電池製備方法的具體實施方式
。參考附圖3，本具體實施方式
提供的三結級聯太陽電池製備方法的流程圖，接下來對附圖3所示的步驟做詳細說明。步驟S301，在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結、AlGaAs頂電池以及歐姆接觸層。在GaAs襯底上生長GaNAsBi底電池，所述GaNAsBi底電池包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向生長的材料為GaNAsBi的底電池基區，以及在基區上生長的材料為GaNAsBi的底電池發射區。其中，所述GaNAsBi底電池中中N和Bi的組分分別約為1.45%,2.56%，其帶隙寬度約為0.94 eV。在GaNAsBi底電池上生長第一隧道結，所述第一隧道結包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的GaInP或(In)GaAs重摻層以及(Al)GaAs重摻層。在第一隧道結上生長GaNAsBi中間電池，所述GaNAsBi中間電池包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的材料為GaNAsBi的中間電池基區，以及在基區上設置的材料為GaNAsBi的中間電池發射區。其中，所述的GaNAsBi中間電池中N和Bi的組分分別約為
0.058%、0.1%，其帶隙寬度約為1.39 eV。在GaNAsBi中間電池上生長第二隧道結，所述第二隧道結包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的GaInP重摻層以及AlGaAs重摻層。在第二隧道結上生長AlGaAs頂電池，所述AlGaAs頂電池包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的AlGaAs基區以及AlGaAs發射區。在本具體實施方式
中，在AlGaAs頂電池上還生長GaAs層作為歐姆接觸層，其摻雜類型為N型。步驟S302，分別在所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上製備上、下電極，獲得目標太陽電池。將生長的AlGaAs/GaNAsBi/GaNAsBi三結級聯太陽電池在AlGaAs頂電池上的歐姆接觸層的表面製備上電極(例如N電極)，在GaAs襯底背面製備下電極(例如P電極)，從而獲得所需的太陽電池。上述生長過程可米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition ,金屬有機化合物化學氣相沉澱)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。本發明提供的三結級聯太陽電池製備方法採用正裝生長，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的複雜工藝，降低了電池的製作難度。接下來結合附圖1、2給出本發明一優選實施例，對本發明提供的技術方案作進一步說明，本優選實施例採用MOCVD方法生長本發明所述三結級聯太陽電池。(I)在P型GaAs襯底18上生長P型摻雜約3 X 1017cnT3、厚度3.0微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi底電池的基區01，再生長N型摻雜約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi底電池的發射區02。(2)生長N型摻雜濃度大於I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或(In) GaAs重摻層03，然後生長P型摻雜濃度大於IX IO19 cm_3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重摻層04，形成第一隧道結16。(3)生長P型摻雜濃度約3XlO17 cm_3、厚度3.0微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi中間電池15的基區05，再生長N型摻雜濃度約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi中間電池15的發射區06。(4)生長N型摻雜濃度大於I X1019cm_3、厚度0.015微米的GaInP重摻層07，然後生長P型摻雜濃度大於I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重摻層08，形成第二隧道結14。(5)生長P型摻雜濃度約為IXlO17 cm_3、厚度0.5微米的AlGaAs重摻層作為AlGaAs頂電池13的基區09，再生長N型摻雜濃度約為2 X IO18 cm_3、厚度0.2微米的AlGaAs重摻層作為AlGaAs頂電池13的發射區10。(6)然後生長N型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的GaAs層作為AlGaAs頂電池13的歐姆接觸層11。用MOCVD方法生長獲得的AlGaAs/GaNAsBi/GaNAsBi三結級聯太陽電池的結構如圖1所示。太陽電池的電極製備工藝:在P型GaAs襯底18的背面製備P電極19，在N型歐姆接觸層11的表面製備N電極12，獲得所需的太陽電池，其結構如附圖2所示。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種三結級聯太陽電池，包括GaAs襯底，其特徵在於，還包括採用GaNAsBi材料製作的兩結子電池，所述兩結子電池的晶格常數均與所述GaAs襯底晶格匹配。
2.根據權利要求1所述的三結級聯太陽電池，其特徵在於，所述兩結子電池分別為GaNAsBi底電池以及GaNAsBi中間電池，所述太陽電池包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結以及AlGaAs頂電池，所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上分別設有電極。
3.根據權利要求2所述的三結級聯太陽電池，其特徵在於，所述GaNAsBi底電池中N的組分為1.45%，Bi的組分為2.56%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度約為0.94 eV。
4.根據權利要求2所述的三結級聯太陽電池，其特徵在於，所述GaNAsBi中間電池中N的組分為0.058%，Bi的組分為0.1%，所述GaNAsBi中間電池的帶隙寬度約為1.39 eV。
5.根據權利要求2所述的三結級聯太陽電池，其特徵在於，所述AlGaAs頂電池中Al的組分為40.6%，所述AlGaAs頂電池的帶隙寬度約為1.93 eV。
6.根據權利要求2所述的三結級聯太陽電池，其特徵在於，所述太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV、 1.39 eV、 0.94eV。
7.—種權利要求1所述的三結級聯太陽電池的製備方法，其特徵在於，包括步驟: 1)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結、AlGaAs頂電池以及歐姆接觸層； 2)分別在所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上製備上、下電極，獲得目標太陽電池。
8.根據權利要求7所述的三結級聯太陽電池的製備方法，其特徵在於，所述三結級聯太陽電池外延採用MOCVD法或MBE法生長形成。
全文摘要
本發明提供了一種三結級聯太陽電池，包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結、GaNAsBi中間電池、第二隧道結以及AlGaAs頂電池，所述AlGaAs頂電池和所述GaAs襯底上分別設有電極。本發明所有子電池晶格常數與GaAs襯底匹配，降低了生產成本，製備工藝簡單。帶隙組合為~1.93eV、~1.39eV、~0.94eV，具有較高的開路電壓，減小了光電轉換過程中的熱能損失，提高了電池效率。採用正裝生長方法生長，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的複雜工藝，降低了電池的製作難度。
文檔編號H01L31/0693GK103137766SQ201310082858
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者孫玉潤, 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 於淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所